[发明专利]一种窄带中红外热辐射源及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于高反射率金属上低折射率介质柱阵列的窄线宽中红外热辐射源。由下至上依次是金属反射层、氧化铝层、二维周期性排列的介质柱阵列。该结构可以支持高品质因子的晶格共振，共振模式的电磁场被限制在介质柱阵列顶部。对于约4μm的中红外波长，介质柱阵列可以采用二氧化硅，通过等离子增强化学气相沉积方法以及反应离子刻蚀方法来制备，金属可以采用铜。根据基尔霍夫辐射定律，对该结构的金属反射层施加电流加热，来实现表面辐射的窄带中红外热辐射源。

技术领域

本发明涉及一种窄带中红外热辐射源，特别是基于高反射率金属上的低折射率介质柱二维周期阵列的窄带中红外热辐射源。

背景技术

分子传感在生物、化工及环境安全等多种应用中发挥着关键作用。生化分子的检测方案有很多，对于具有红外特征吸收带的气体，光学光谱法是常用的，而且比其他技术有优势。对于具有中红外光谱区分子吸收特性的环境气体传感器，需要通过窄带红外辐射源来实现高分辨率和高灵敏度。

设计中红外窄带热辐射源的研究主要集中在等离激元结构上，包括光栅或光子晶体，以及由金属平面上的金属贴片阵列组成的超材料(两者之间有一层介质层)。尽管该设计结构紧凑，但是电磁场被限制在金属附近，而金属在很宽的光谱范围内具有吸收损耗，因此金属结构实现的辐射峰的品质因子通常最高只有几十。相比之下，高折射率介质光子晶体可以产生品质因子大于100的热辐射峰。

发明内容

1、本发明的目的

为了解决上述金属结构的吸收损耗等制约问题，本发明公开一种基于金属膜上低折射率介质柱阵列的窄带中红外热辐射源

2、本发明所采用的技术方案

本发明公开了一种窄带中红外热辐射源，包括高反射率金属反射层膜上的介质柱阵列组成，介质柱阵列等间距排列在氧化铝层上，氧化铝层下方为金属反射层，介质柱阵列为二氧化硅，基于基尔霍夫辐射定律和表面等离子共振原理，对基底进行加热获得窄线宽的热辐射。

更进一步，介质柱的高宽比大于1。

更进一步，金属反射层采用铜或者铝。

更进一步，金属反射层的厚度为大于等于100nm，氧化铝保护层厚度为10nm到100nm。

更进一步，辐射率为ε(ω)＝1-|R(ω)|²，R是阵列结构的反射。

更进一步，高品质因子共振的产生与晶格共振有关，其波长随晶格间距a₀(即周期)的变化而变化，通过等比例改变晶格间距和介质柱尺寸实现可调的窄带热辐射源。

更进一步，在波长晶格间距a₀且小于1.05a₀处有窄带辐射，辐射的品质因子大于等于100。更进一步，上述窄带辐射对应的模式光场被局域在介质柱的顶端以及介质柱之间的空白区域。

本发明公开了一种窄带中红外热辐射源的制备方法，对于约3-6μm的中红外波长，介质柱阵列采用二氧化硅，通过等离子增强化学气相沉积方法来沉积二氧化硅薄膜，再通过反应离子刻蚀来获得二维周期的柱子阵列。

更进一步，包括以下步骤：

步骤1、在平整基片上沉积金属反射层，包含粘附层，氧化铝保护层，二氧化硅薄膜；

步骤2、在上述多层膜上进行纳米压印定义二维周期阵列的掩膜；

步骤3、利用反应离子刻蚀方法将掩膜图形转移到二氧化硅薄膜，形成二维周期柱阵列。

3、本发明所采用的有益效果

(1)本发明在平面金属基底上构建高深宽比介质柱阵列，在介质柱上表面形成局域电磁模式，调控金属中自由载流子吸收，实现极窄的吸收增强。